[论文解读] Synchronous Multistep Predictive Spectral Control of the Switching Distortion in DC--DC Converters

Christian Korte, Till Luetje+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2022

Advanced DC-DC Converters被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于DC-DC转换器的同步多步模型预测控制方案，通过同时优化输出频谱、开关频率和电压纹波，在实时状态下整形开关畸变。该方法相较于传统PWM将最大频谱峰降低48 dB，并实现了针对敏感频段的实时频谱间隙插入，以抑制EMI。

ABSTRACT

In automotive power electronics, distortion and electromagnetic interference (EMI) generated by the switching action of power semiconductors can be a significant challenge for the design of a compact, lightweight vehicle. As semiconductor switching frequencies increase, e.g., through the introduction of new materials, such as gallium nitride and silicon carbide, this problem becomes more severe. We present a control scheme for an automotive dc-to-dc converter that reduces the EMI generated by shaping switching distortion predictively at the run time. The multistep model-predictive control scheme chooses the subsequent switching state that optimizes the output spectrum according to predefined criteria. To achieve real-time operation, it evaluates the possible switching state candidates for the next modulation step without explicitly solving a single Fourier transform. In addition, the switching rate and voltage ripple are controlled in a single unified control law. We present and experimentally validate that the control scheme can indeed run at real time already with currently available mid-range hardware. The results demonstrate that the largest spectral peak of the switching distortion can be decreased by 48 dB compared to conventional pulse-width modulation. Furthermore, spectral gaps can be implemented in the output distortion and altered in real-time, allowing certain frequency bands -- e.g., bands used by other sensitive electronics such as sensors, communication busses, or tuners -- to be kept free of EMI from the converter's switching actions.

研究动机与目标

• 解决基于宽禁带半导体的汽车DC-DC转换器中高频开关带来的电磁干扰（EMI）日益增长的挑战。
• 通过在源头整形开关畸变的频谱内容，无需依赖笨重的无源滤波器或屏蔽，降低传导和辐射EMI。
• 利用统一的控制律，实现实时、预测性的输出频谱控制，同时调节开关频率和电压纹波。
• 在中端FPGA硬件上实现该控制方案，验证其具备实时性能和动态频谱适应能力。

提出的方法

• 该控制方案采用多步模型预测方法，在不显式计算傅里叶变换的情况下，评估下一调制步长的所有可能开关状态候选。
• 其成本函数结合了通过用户定义的频谱整形滤波器G(ω)实现的频谱整形、开关频率最小化，以及使用加权参数λ₁、λ₂和λ₃控制的电压纹波。
• 通过在预测时域M内对每个候选开关状态的预测输出波形计算离散傅里叶变换（DFT），实现频谱控制。
• 实时实现通过利用预计算的DFT基向量和递归更新避免完整的DFT计算，从而实现快速频谱评估。
• 控制器采用双环结构，集成电压调节器和频谱控制器，其中频谱控制器根据成本函数选择最优开关状态。
• 通过实时调整G(ω)，该方案支持动态频谱间隙插入，可实现对无线电或传感器等特定频段EMI的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 预测性频谱控制方案是否能在不增加硬件复杂度的前提下，降低DC-DC转换器中开关畸变的最大频谱密度？
• RQ2 如何在一个统一的预测框架中联合控制开关频率和输出电压纹波，并实现频谱整形？
• RQ3 该控制方案是否能在中端数字硬件上实现实时运行，且无需显式计算傅里叶变换？
• RQ4 在多大程度上可以实现实时动态频谱间隙的生成与调整，以保护敏感电子系统？
• RQ5 与传统PWM和扩频技术相比，该方法可实现的EMI降低和频谱整形性能如何？

主要发现

• 所提出的控制方案相较于传统脉宽调制（PWM），将开关畸变的最大频谱峰降低了48 dB。
• 该方法实现了实时频谱间隙插入，相对于周围频带的抑制深度约为100倍（40 dB）。
• 通过调整成本函数权重λ₂，可降低平均开关频率，但开关频率最小时，峰值-峰值电压纹波增加1.8倍，方差增加2.7倍。
• 通过强制每K_max步进行一次开关，电压纹波方差可降低两倍以上，同时平均开关频率增加不足5%。
• 该控制方案成功实现了输出频谱的实时自适应，通过以1.2 kHz/s的速度将频谱间隙从10 kHz移动至23 kHz，且抑制深度保持一致。
• 该方法在中端FPGA硬件上实现实时运行，无需显式DFT计算，采用高效的频谱评估技术。